地下1000多米 探索宇宙的初始时刻
我们的宇宙始于138亿年的大爆炸。从那以后，宇宙一直在膨胀和冷却。长期以来，物理学家和天文学家都想更好地了解大爆炸后的初期发生了什么。为了推断宇宙的早期历史，他们会用各种方法获取在早期宇宙中起关键作用的物理信息。
最近，一位物理学家在意大利的一个隐蔽实验室里重现了在大爆炸后的两到三分钟内的核反应。这个新的测量结果让相关领域的许多研究人员欣喜若狂，因为他们证实了一系列被称为大爆炸核合成(BBN)的核反应中最不确定的因素。研究结果发表在最近的《自然》杂志上。
大爆炸后一秒钟，BBN开始了。正是一系列的核反应，在宇宙形成的最初几分钟，产生了第一批轻元素。在BBN之初，宇宙可以被描述为一个由粒子组成的热汤，其中中子和质子被光子和中微子包围。
大爆炸后大约一秒钟，宇宙就像一个充满粒子的热汤，充满了质子和中子。|图片来源：原理
随着宇宙的膨胀和冷却，中子和质子开始结合。他们首先形成了一种叫做氘(H)的重氢同位素，它由一个质子和一个中子组成；随后，氘会通过一系列反应迅速转化为更重、更稳定的元素，如(He)核和(He)核。大约三分钟后，(李)。
大爆炸核合成。|图片来源：原理
大爆炸只产生了这些非常轻的元素，比Li -7重的元素直到第一批恒星死亡才出现(详见：《来自________的你》)。在过去的一些研究中，天文学家通过观察宇宙中的轻元素来推测它们的原始丰度。这样的观察证实氦-4的原始丰度确实是25%。对遥远宇宙中氘的测量进一步带来了与早期宇宙密度密切相关的信息，因为从对氘的精确测量中，科学家可以推断出BIGBANG后的前几分钟的一些关键细节，包括氦-3.
2018年，英国杜伦大学的研究人员利用氦-4(CMB)辐射的测量结果确定了氘的原始丰度，准确度为1%。这比基于理论预测的不确定性好得多，理论预测的不确定性主要来自于氘和质子结合产生氦-3核和光子时的核反应速率。因此，为了更好地了解质子和中子的密度等关键信息，研究人员必须首先了解氘与质子反应的速率，这正是新研究所进行的测量。
质子和氘的结合产生氦-3和光子。新实验在地下深处进行，以隔离宇宙射线。|图片来源：原理
测量氘和质子之间的核反应速率是非常困难的。难点在于，这种反应在实验室条件下并不经常发生；此外，在实验室环境中，宇宙中包含了约75%的氢原子核，和25%的氦-4，以及少量的氘、氦-3和锂-7将产生可能干扰实验结果的背景信号。
在新的研究中，物理学家通过在意大利格拉萨索国家实验室进行实验消除了这种背景噪声，该实验室位于地下1000多米处。在实验中，在与BBN有关的粒子能量值下，他们使质子束在粒子加速器中与氘碰撞产生氦-3。
得到的实验结果是质子和中子的密度.这一结果大大改善了理论预测的氘原始丰度值的不确定性，使理论预测值的精度更接近实验观测值的精度。
此外，新的研究增强了物理学家对BBN的理解，使他们能够更准确地测量宇宙中宇宙微波背景的含量。根据新的数据，研究人员计算出的宇宙射线,值与招行测量的值一致。
这种一致性在一定程度上缓解了我们对“新物理”的需求。虽然它可能会让一些渴望未知理论出现的物理学家失望，但它代表了理解宇宙学基本理论框架的一次胜利。意思是，将这种核反应速率的测量值的不确定性从9%降低到了3%以下.
这一结果将对BBN的相关研究产生深远的影响。它可能会启发科学家研究BBN之前的宇宙时期。此外，新的数据告诉我们，普通物质占今天宇宙中所有物质的4%，所以我们可以推断，剩余的96%是由普通物质和由质子和中子组成的普通物质占今天宇宙总密度的4%,组成的，尽管我们对他们的本质一无所知。如果这些神秘的未知元素影响了BBN产生的光元素的丰度，那么对BBN时期的研究可能有助于为解开宇宙的“黑暗面”提供理论信息。
因此，在可预见的未来，BBN将成为一个令人兴奋的研究领域。让我们希望更多的测量将发挥更大的潜力，帮助我们更好地理解物理学，物理学在宇宙的早期发挥了重要作用。
照片设计：PINKRAY
参考链接：
https://www . quantamagazine . org/physicers-pin-down-nuclear-reaction-from-moments-after-the-big-bang-2020 11 11/